Множественная филаментация мощных фемтосекундных лазерных импульсов

На правах рукописиПанов Николай АндреевичМножественная филаментациямощных фемтосекундных лазерных импульсовСпециальность: 01.04.21 – лазерная физикаАвтореферат диссертациина соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква – 2009Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессовфизического факультета Московского университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Кандидов Валерий ПетровичОфициальные оппоненты: доктор технических наук,профессор Валуев Виктор Васильевичдоктор физико-математических наукЧекалин Сергей ВасильевичВедущая организация:Санкт-Петербургскийгосударственный университетинформационных технологий,механики и оптикиЗащита состоится 19 марта 2009 г.

в 1600 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 в МГУ имени М.В. Ломоносова поадресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, ул. АкадемикаХохлова, дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория имениС.А. АхмановаС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМосковского университета имени М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан «____» ______________ 2009 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31кандидат физико-математических наук, доцентИльинова Т.М.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыЯвление филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов состоит влокализации энергии лазерного излучения, которая сохраняется на значительномрасстоянии в тонкой нити филамента под действием самофокусировки и нелинейностисамонаведенной лазерной плазмы, ограничивающей коллапс пучка.

Филамент являетсятонким и протяженным, его длина (длина области, где интенсивность достаточна дляионизации среды) много больше его дифракционной длины. Например, в воздухе длинафиламентов достигает десятков метров, а диаметр — порядка 100 мкм. Филаментациянаблюдается в газообразных, жидких и твердых телах.Распространение фемтосекундных импульсов с пиковой мощностью, превышающейкритическую мощность самофокусировки в десять и более раз, приводит к образованиюнескольких филаментов, т.е. множественной филаментации.

Современные экспериментыпо множественной филаментации в атмосфере ведутся с импульсами мощностью1 — 5 ТВт и более, что превышает критическую мощность самофокусировки в воздухе(~5 ГВт) более чем в 100 раз. В таких условиях множественная филаментация мощныхфемтосекундных лазерных импульсов развивается неизбежно и носит стохастическийхарактер, т.е. филаменты образуются и исчезают случайным образом как в продольном,так и в поперечном направлении. К причинам такой нерегулярности явления можноотнести флуктуации амплитуды и фазы электрического поля на выходе лазерной системы,а также флуктуации показателя преломления и поглощения среды (в газах это связано стурбулентными флуктуациями показателя преломления, аэрозолем, в твердых телах — сразличными дефектами, примесями и т.д.).Такимобразом,стохастическаямножественнаяфиламентацимощныхфемтосекундных импульсов является скорее ординарным, чем необычным явлением.

В тоже время, на момент начала работ по теме диссертации (2002 г.) теоретического изученияобразования и развития множества филаментов, генерации суперконтинуума от них и т.д.проведено практически не было, хотя в экспериментах множественная филаментациянаблюдалась еще с середины 90-х гг.Явление филаментации является чрезвычайно интересным с прикладной точкизрения. Это связано с возможностью удаленного широкополосного зондированияокружающей среды излучением филаментов, транспортировки электромагнитногоизлучения различных частотных диапазонов (от постоянного тока до СВЧ волн, включая3удаленноеуправлениеатмосфернымэлектричеством)поплазменнымканаламфиламентов, создания модификаций в твердых прозрачных диэлектриках и т.д.Всилуэтогопредставляетсяважнойзадачауправлениямножественнойфиламентацией мощных фемтосекундных лазерных импульсов в целях увеличенияэнергии излучения суперконтинуума, сигнала флуоресценции при зондировании,концентрации электронов в плазменных каналах филаментов, а также образованияфиламентов в заданных положениях как в продольном, так и в поперечном направлениях.Цели и задачи диссертационной работыЦельнастоящейработысостоитвисследованиифизическихпроцессов,определяющих формирование и эволюцию множества филаментов, плазменных каналов игенерацию суперконтинуума, а также в анализе возможности управления множественнойфиламентацией.Для этого будут исследованы следующие проблемы: взаимодействие филаментов и модельный сценарий их эволюции; пространственные распределения суперконтинуума при множественной филаментации вдлинноволновой и коротковолновой частях спектра; управление множественной филаментацией методом масштабирования лазерного пучка; образование пучка филаментов на определенном расстоянии при совместном действииотрицательной фазовой модуляции и масштабировании пучка; применение периодического линзового массива как средства создания упорядоченногопучка филаментов в условиях турбулентной атмосферы.Научная новизна работы1.

Предложенсценариймножественнойфиламентациимощныхфемтосекундныхлазерных импульсов, состоящий из следующих этапов: независимое развитие«родительских» филаментов из начальных возмущений на профиле импульса;возникновение возмущений при интерференции колец, расходящихся вокругфиламентов;зарождениеизних«дочерних»филаментов;«конкуренция»филаментов; «выживание» одного или нескольких филаментов в результате«конкуренции».2.

Показано, что множественная филаментация мощных фемтосекундных лазерныхимпульсов является нестабильной — небольшие различия в распределении4интенсивности на входе в нелинейную среду приводят к качественным отличиям вформировании множества филаментов.3. Установлено,чтопоперечноераспределениеплотностиэнергииизлучениясуперконтинуума, сопровождающего множественную филаментацию мощныхфемтосекундных лазерных импульсов, в длинноволновой области генерируется наосях филаментов, а в коротковолновой — представляет собой интерференционнуюкартину колец конической эмиссии, расходящихся вокруг каждого из филаментов.4.

Показанавозможностьуправлениямножественнойфиламентациеймощныхфемтосекундных лазерных импульсов с помощью масштабирования пучка навыходе лазерной системы, совместного введения фазовой модуляции импульса имасштабирования пучка, а также использования линзового массива, через которыйраспространяется импульс.Практическая ценность работы1.

Показанавозможностьувеличениясигналафлуоресценциимолекулярногоиоднократно ионизированного азота при множественной филаментации мощныхфемтосекундных лазерных импульсов посредством уменьшения диаметра пучка навыходе лазерной системы.2. Установлено, что совместное действие уменьшения размеров пучка на выходе лазернойсистемы и отрицательной фазовой модуляции фемтосекундного импульса приводитк росту сигнала флуоресценции и увеличению расстояния образования филаментовот выхода лазерной системы.3. Предложенметодпространственного(какпоперечного,такипродольного)упорядочивания (регуляризации) пучка филаментов при использовании линзовогомассива на выходе лазерной системы. Установлен критерий удовлетворительногокачества регуляризации при филаментации мощного фемтосекундного лазерногоимпульса в случайно неоднородной среде.Полученные результаты могут найти применение при разработке фемтосекундныхлидаров для удаленного экологического зондирования, систем транспортировки лазернойэнергии и систем передачи электромагнитных волн различных частотных диапазонов поплазменным каналам филаментов.5Защищаемые положения1.

При множественной филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсовобразуются «родительские» филаменты из начальных возмущений в поперечномраспределении интенсивности, затем зарождаются «дочерние» на возмущениях,возникающих при интерференции полей, расходящихся в результате дефокусировкив лазерной плазме, далее происходит «конкуренция» филаментов, котораяпроявляется в перекачке энергии между ними, и в результате нее «выживает» одинфиламент.2. Множественная филаментация является пространственно нестабильной вследствиесильной чувствительности взаимного расположения «дочерних» филаментов кгеометрии начальных возмущений интенсивности в плоскости поперечного сеченияимпульса. Нестабильность множественной филаментации является причинойфлуктуаций сигнала флуоресценции при дистанционном зондировании.3.

В условиях множественной филаментации пространственное распределение излучениясуперконтинуума в длинноволновой части спектра представляет собой совокупностьпиков сцентрами наосяхфиламентов,вкоротковолновой —результатинтерференции колец конической эмиссии, которые расходятся вокруг каждого изних.4. При уменьшении поперечных размеров импульса, пиковая мощность которого вдесятки и более раз превосходит критическую мощность самофокусировки, энергия,локализованная в области флуоресценции, возрастает, что позволяет увеличить истабилизировать сигнал флуоресценции при фемтосекундном зондировании.Одновременное изменение фазовой модуляции импульса и его поперечного размерапозволяет управлять расстоянием до образования плотного пучка филаментов иплазменных каналов.5.

Регуляризация пространственного положения множества филаментов с помощьюлинзового массива позволяет подавить влияние атмосферной турбулентности исформировать упорядоченный их массив.Апробация результатов работыОсновные результаты работы опубликованы в 10 научных статьях в журналах«Квантовая электроника», «Оптика атмосферы и океана», «Оптический журнал»,«Physical Review A», «Applied Physics B», «New Journal of Physics», «Proceedings of SPIE»6и докладывались на конференциях: Международная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых по фундаментальным наукам “Ломоносов” (Москва, Россия, 2003);Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика», (СанктПетербург, Россия, 2003, 2005); Международная конференция «Фундаментальныепроблемы оптики», (Санкт-Петербург, Россия, 2004, 2006); International Conference onCoherent and Nonlinear Optics / International Conference on Lasers, Applications, andTechnologies (Санкт-Петербург, Россия, 2005, Минск, Белоруссия, 2007); SPIE InternationalSymposium Photonics West (San-Jose, USA, 2005); International Conference “High PowerLaser Beams” (Нижний Новгород, Россия, 2006); Русско-французский симпозиум длямолодых ученых по лазерной физике (Houches, France, 2006); семинар кафедры общейфизики и волновых процессов физического факультета и МЛЦ МГУ им.

М.В. Ломоносова(2006, 2008).Структура и объем работыДиссертация состоит из шести глав, включая Введение, и списка цитируемойлитературы. Объем работы составляет 136 страниц, включая 44 рисунка. Списокцитируемой литературы содержит 113 наименований.Личный вклад автораВсе использованные в диссертации результаты получены автором лично или приопределяющем его участии. Автором опубликовано 15 статей в научных журналах, из них10 по теме диссертации, 7 из которых опубликованы в журналах из списка ВАК России.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВ Главе 1 представлен обзор экспериментальных и теоретических работ,посвященных филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов.В параграфе 1.1 показана неизбежность стохастической множествественнойфиламентации мощных фемтосекундных лазерных импульсов.